Современные аэростаты

Точно не известно, когда и где был поднят первый монгольфьер. Сенсационное открытие было сделано в 1973 году: в древней стране инков, на территории современного Перу, на наскальных рисунках нашли изображение воздушного шара с оболочкой в виде тетраэдра с подвешенной к нему снизу двухместной гондолой — челноком. Более того, были показаны этапы подготовки монгольфьера к полету, разведение костра, наполнение оболочки горячим воздухом и совершение полета. Указывались даже сравнительные размеры оболочки. Выполненный по такой схеме нашими современниками воздушный шар был поднят в воздух, он оказался вполне жизнеспособным, набрав высоту сто метров за одну минуту.

В XIV столетии монах Альберт Саксонский писал, что дым костра гораздо легче воздуха и вследствие расширения воздуха под влиянием огня поднимается в нем.

В XVI веке английский ученый Скалигер предлагал сделать из тончайшего золота оболочку и наполнить ее горячим воздухом. Еще через сто лет появился роман Сирано де Бержерака «Иной свет, или Государства и империи Луны», в котором наряду с целым рядом интересных проектов летательных аппаратов для воздушных путешествий описано устройство, похожее на монгольфьер. Герой романа с помощью двух герметических, наполненных дымом оболочек долетает почти до самой Луны, где выпускает дым, и, пользуясь оболочками как парашютом, спокойно опускается на ее поверхность.

В первой половине XVIII века, согласно летописи, рязанский подьячий Крякутный сделал большой шар, «налил дымом поганым и вонючим, от него сделал петлю, сел в нее, и нечистая сила подняла его выше березы».

И все же отсчет принято вести с 5 июня 1783 года, когда во французском городе Аннон братья Этьен и Жозеф Монгольфье подняли в воздух шелковый шар объемом 600 кубических метров. Оболочка шара изнутри была оклеена бумагой, а на нижнем его отверстии была укреплена решетка из виноградных лоз, которая устанавливалась на подмостках. Под подмостками был разведен костер, и горячий воздух с дымом поднял шар на высоту двух километров. Вот почему произошло название монгольфьер в отличие от шарльера, названного в честь профессора Шарля, запустившего 27 августа 1783 года шар, наполненный водородом.

Первый полет с людьми состоялся 21 ноября 1783 года. Огромный воздушный шар высотой 21 метр с двумя смельчаками на борту плавно оторвался от земли. Оба аэронавта старательно поддерживали огонь в корзине. Полет продолжался 45 минут и окончился плавным спуском за городом на расстоянии девяти километров от места старта. Кстати, интересно отметить, что Жозеф Монгольфье только один раз поднялся на шаре своей конструкции, а его брат Этьен ни разу!

Через десять дней после подъема первых людей на монгольфьере профессор Шарль наполнил оболочку диаметром восемь метров водородом и вместе с помощником Робертом вошел в подвешенную под шаром гондолу. Полет длился 2 часа 5 минут и проходил на высоте около 400 метров. После приземления Шарль решил продолжить полет один. Высадив Роберта, он поднялся на высоту 2 километра и через полчаса, выпустив часть водорода, совершил мягкую посадку. Но… выходя из гондолы, Шарль поклялся «никогда больше не подвергать себя опасностям таких путешествий». До последнего дня своей жизни Шарль оспаривал у Монгольфье славу изобретения воздушного шара — ведь шар с нагретым воздухом был изобретен задолго до Монгольфье.

Шарль изобрел веревочную сеть, охватывающую шар и передающую на него весовые нагрузки, он изобрел клапан, воздушный якорь и первый применил песок в качестве балласта, сконструировал барометр для измерения высоты. По сравнению с монгольфьером шарльер был более совершенной конструкцией.

Но шарльеры имели и большой недостаток — для их наполнения необходимо иметь на месте старта запас газа легче воздуха (водород или гелий), в материалоемкой таре, а после окончания полета этот газ нужно выпускать в атмосферу. Это повышало стоимость эксплуатации шаров, использующих в качестве наполнителя водород или гелий.

Впереди у монгольфьеров и шарльеров был долгий путь до наших дней, ничем особо не примечательный, отмечавшийся кратковременными взлетами и падениями вплоть до второй половины XX столетия. Появление новых термостойких материалов для оболочек, эффективных горелок вдохнуло в них вторую жизнь.

Вскоре после второго рождения воздушных шаров появились комбинированные конструкции, сочетающие в себе достоинства обеих традиционных. Оболочка была поделена на две части. Верхняя наполняется легким и негорючим гелием, а нижняя — горячим воздухом. Подогревая его в ходе полета пропаном, этаном или керосином, сжигаемым в специальных горелках, аэронавты регулируют высоту полета. Этот тип воздушных шаров называют иногда розьерами — в честь одного из первых воздухоплавателей Жана Франсуа Пилатра де Розье, погибшего в 1785 году, когда его шар, наполненный смесью горячего воздуха и водорода, загорелся в полете.

Выбор топлива для нагрева воздуха в оболочке является определяющим фактором в летно-технических характеристиках монгольфьеров. Ведь чем большей теплотой сгорания обладает килограмм топлива, тем меньше топлива необходимо брать в полет, тем лучшими летно-техническими характеристиками будет обладать монгольфьер: он сможет дольше находиться в воздухе, пролетит большее расстояние или поднимется на большую высоту.

Наши предшественники для нагрева воздуха вначале использовали все, что могло гореть, — ветви деревьев, солому, уголь и т.д. В дальнейшем перешли к нефти, горючим газам, древесному углю. Выбиралось то топливо, которое могло быстро и эффективно прогреть воздух в монгольфьере, быть дешевым и доступным.

В итоге остановились на смеси пропана с бутаном в равных долях. Она, правда, несколько хуже чистого пропана, так как обладает меньшей испаряемостью и горелки приходится оснащать дополнительными устройствами для увеличения испаряемости.

«Несмотря на это, — пишет в своей книге Ю.С. Бойко, — подавляющее большинство современных монгольфьеров работает на пропан-бутане. Он широко распространен в быту, дешев, а технология его хранения и транспортирования хорошо отработана. Он отличается легкостью зажигания и тушения, малым количеством твердых продуктов сгорания и нетоксичностью.

Неузнаваемо изменились и горелки. Теперь это устройства, насыщенные регулирующими и контролирующими механизмами, автоматически поддерживающими необходимую температуру горячего воздуха в оболочке.

Газовые баллоны, как правило, выполняются из алюминиевых сплавов. Жидкий пропан в них находится под давлением 10–20 атмосфер, причем над жидким пропаном находится газообразный пропан, поступающий к фитилю, который горит от начала полета и до его конца. Силу горения фитиля настраивают регулятором. Назначение фитиля — зажигать основную горелку во время полета. После прогрева до необходимой температуры воздуха в оболочке основную горелку в целях экономии газа выключают. Когда пилот замечает по вариометру начало спуска монгольфьера, что вызывается охлаждением воздуха в оболочке, основная горелка вновь включается, воздух подогревается и монгольфьер поднимается. Мощность горелок современных монгольфьеров составляет 1,8–4,6 МВт».

Однако воздух в оболочке можно нагреть, не только сжигая какое-либо топливо на борту воздушного шара. Есть еще один источник тепла — солнце. И если оболочку выкрасить в черный цвет, то она будет аккумулировать солнечную энергию. По такому принципу в 1973 году в США построили монгольфьер «Солар файрфлай», который совершал полеты с использованием только энергии солнечных лучей. Во Франции был разработан ряд воздушных шаров, использующих инфракрасное излучение солнца. Они получили название МИР. Основное их отличие в том, что воздух в оболочке нагревается не только атмосферной радиацией инфракрасного диапазона, но и земной.

Оболочка МИР разделена на две части. Верхняя часть практически не излучает инфракрасной радиации ввиду особого покрытия внешней поверхности оболочки, например, алюминированным майларом, поэтому тепло скапливается под ней. Нижняя часть выполнена из прозрачной полиэтиленовой пленки с отверстием внизу. Когда такой аэростат летит над районом земли, где вверх направлен тепловой поток, то оболочка нагревается и появляется дополнительная аэростатическая подъемная сила. Днем воздушный шар поднимается, ночью опускается, но не до земли, а до некоторой высоты, где излучение земли достаточно для поддержания повышенной температуры воздуха в оболочке.

Конечно, высота полета воздушного шара будет зависеть от многих факторов: широты местности и сезонов года, ясности неба и времени суток и т.д. В стратосфере аэростатическая подъемная сила от тепла солнца и земли всегда положительна, то есть воздушный шар может летать над всей поверхностью земли днем и ночью.

Высоту полета днем и ночью позволяет изменить воздушный клапан, находящийся в верхней части оболочки и управляемый небольшим двигателем, питаемым от бортового источника энергии. Когда клапан открыт, теплый воздух в оболочке замещается холодным, поступающим через нижнее отверстие, диаметр которого больше диаметра клапана. Причем объем оболочки остается постоянным.

Многодневные полеты на воздушных шарах стимулировали состязательный дух аэронавтов. Многие энтузиасты воздухоплавания мечтали совершить полет вокруг Земли. Сначала предпринимались попытки перелететь какой-либо океан. Наиболее подходящим оказался Атлантический, северная часть которого испещрена многочисленными воздушными и морскими трассами. Это облегчало наблюдение за полетом и поиск смельчаков, рискнувших совершить перелет Атлантики.

14 сентября 1984 года 58-летний американец Д. Киттинджер, в прошлом военный летчик-испытатель, стартовал из города Карибу в штате Мэн, и благодаря сильному попутному ветру примерно через 70 часов оказался у берегов Франции. Трасса его полета пролегла над Ньюфаундлендом, затем южнее Гренландии и перед Ирландией круто повернула на юго-восток. Это несколько затруднило выбор места посадки, так как над Европой аэронавт оказался значительно южнее тех мест, где планировалось приземление. Пролетев вдоль северных отрогов Пиренеев и Средиземноморского побережья Франции, он приземлился в лесистой местности возле итальянского города Савона. Финиш был трудным, аэронавта выбросило из гондолы с высоты трех метров, он сломал ногу и был сразу же доставлен в госпиталь.

В 1998 году рекорд пребывания в полете поставил Стив Фоссетт. Отправился он в полет в новогоднюю ночь, обвешав всю гондолу баллонами с пропаном, чтобы подольше подогревать воздух в оболочке. Однако в полете с ним приключилась неприятность — отказала компьютерная система отопления кабины и он стал мерзнуть. Пришлось спуститься в более теплые слои атмосферы. На высоте 914 метров воздухоплаватель пересек российскую границу в районе Анапы. Через некоторое время от него поступил сигнал об экстренном снижении — техника окончательно отказала, и он был вынужден приземлиться возле хутора Гречаная Балка, что в Краснодарском крае.

Рекордсменом же 1998 года оказался международный экипаж в составе швейцарца Бертрана Пикара, бельгийца Бима Верстраэтена и англичанина Энди Элсона. Стартовав из Европы в небеса без особой шумихи на шаре «Братлинг Орбитер-2», они пролетели более двадцати тысяч километров. Но, попав в неблагоприятные метеоусловия, были вынуждены приземлиться в Бирме.

Ажиотаж нарастал. В 1999 году один за другим стартовали экипажи из разных стран и чаще всего терпели неудачу. Основная борьба разгорелась между европейцами. Британцы Энди Элсон и Колин Прескот, стартовав первыми из Испании 17 февраля 1999 года, провели в воздухе более двенадцати суток, побив мировой рекорд продолжительности и дальности полета, но все-таки были вынуждены приземлиться — кончилось топливо.

Вслед за рекордсменами устремился другой воздушный шар, стартовавший 1 марта, в воскресенье утром, из швейцарского местечка Шато д'Э с той же целью — совершить беспосадочный облет нашей планеты. Его командором стал внук знаменитого швейцарского ученого и путешественника Огюста Пикара — Бертран. Стартовать своевременно, то есть в канун Нового года, ему помешали две причины: неблагоприятная погода и отсутствие разрешения Пекина на пролет воздушного пространства КНР.

Отсеки «Орбитера-3» были наполнены не гелием, а пропаном, поэтому он оказался больше и тяжелее, чем шар Элсона и Прескота. Его высота была 55 метров, а весил он 9 тонн. Зато он смог взять большие запасы горючего, и это, в конце концов, себя оправдало.

«Пикар и его напарник, британский пилот Брайан Джонс, надеялись облететь Землю за 16 суток, — пишет в журнале «Техника — молодежи» С. Николаев, — имея в виде преимущества разрешение на пролет над южной частью Китая. Однако экспедиция складывалась далеко не просто. Стартовать пришлось при сильном наземном ветре, не дожидаясь хорошей погоды, поскольку Пикар боялся упустить попутные стратосферные течения. Сразу же после старта их понесло к Испании. Однако им удалось немного выправить направление полета, попасть над Мавританией в попутное воздушное течение, которое направило их в сторону Индии, Китая и через Тихий океан к Калифорнии…

Несколько раз шар обмерзал и начинал стремительно терять высоту. Наблюдались также неполадки в системах снабжения кислородом и управления шаром…

Лишь когда воздушный шар "Орбитер-3" на восемнадцатый день миновал американский континент и оказался над Атлантикой, воздухоплаватели стали всерьез надеяться на благополучный исход своей экспедиции. Надежда придала им силы, которые к тому времени находились уже на исходе. Аэронавты докладывали на контрольный пункт, что у них вышел из строя один из обогревателей, и температура на борту не превышает восьми градусов Цельсия. Оба сильно простужены. Бертран Пикар, по основной профессии врач-психиатр, был вынужден даже прибегнуть к гипнозу, чтобы восстановить силы».

21 марта около десяти часов утра невероятно усталые воздухоплаватели, пролетев более сорока тысяч километров, смогли покинуть свою тесную кабину. «Орел совершил посадку», — радировали они в Швейцарию, приземлившись неподалеку от деревушки Мут, что в 800 километров юго-западнее Каира.

Итак, рекорд установлен. О чем же теперь мечтать современным воздухоплавателям? О перелете через оба полюса? Или устроить гонки на шарах вокруг земного шара — кто совершит кругосветное путешествие быстрее? Вероятно, логичнее пойти по другому пути. Специалисты НАСА построили для астрономических исследований гигантский аэростат, похожий на тыкву. Его диаметр — около 128 метров, а высота — 78. Одна из попыток весной 2001 года закончилась неудачей. Шар опустился из-за утечки, поднявшись на высоту 20 километров. Предполагается, что подобный гигант будет плавать на высоте 35 километров с 1350 килограммами научной аппаратуры и оставаться в воздухе до ста дней. И за это время, при наличии благоприятных ветров, раз пять облетит вокруг нашей планеты.

При этом все управление будет осуществляться по радио и с помощью автопилота. Предусматривается использование солнечных батарей для питания бортовых систем. Запуск шара обойдется как минимум втрое дешевле, чем запуск спутника, причем аппаратуру, спускаемую на парашюте, можно использовать несколько раз.

Другой оригинальный проект предложили американские студенты-дизайнеры Эрик Рейтер и Дэвид Гудвин: 180-метровый воздушный корабль поплывет в небесах подобно клиперу. Нижняя часть его вертикальной структуры послужит килем-стабилизатором, в то время как наполненные гелием понтоны — центральный и два боковых — станут работать как паруса. Аэростат-гигант можно будет использовать в качестве научной базы или туристического воздушного судна.